终于有人把RISC-V讲明白了

如果仅从“免费”或“开放”这两点来评判，RISC-V架构并不是第一个做到免费或开放的处理器架构。

在开始之前，我们先通过论述几个具有代表性的开放架构，来分析RISC-V架构的不同之处以及为什么其他开放架构没能取得足够的成功。

0.1 平民英雄——OpenRISC

OpenRISC是OpenCores组织提供的基于GPL协议的开放源代码RISC处理器。

OpenRISC具有以下特点：

• 采用免费开放的32/64位 RISC架构。

• 用Verilog HDL（硬件描述语言）实现了基于该架构的处理器源代码。

• 具有完整的工具链。

OpenRISC被应用到很多公司的项目之中。可以说，OpenRISC是应用非常广泛的一种开源处理器实现。

OpenRISC的不足之处在于其侧重于实现一种开源的CPU Core，而非立足于定义一种开放的指令集架构，因此其架构的发展不够完整，指令集的定义也不具备上节中提到的RISC-V架构的优点，更加没有上升到成立专门的基金会组织的高度。OpenRISC更多的时候被认为是一个开源的Core，而非一种优美的指令集架构。此外，OpenRISC的许可证为GPL，这意味着所有的指令集改动都必须开源（而RISC-V则无此约束）。

0.2 豪门显贵——SPARC

SPARC架构作为经典的RISC微处理器架构之一，SPARC最早于1985年由Sun电脑所设计。SPARC也是SPARC国际公司的注册商标之一，这家公司于1989年成立，目的是向外界推广SPARC架构以及为该架构进行兼容性测试。该公司为了推广SPARC的生态系统，SPARC国际公司将标准开放，并授权予多家生产商采用，包括德州仪器、Cypress半导体和富士通等。由于SPARC架构也对外完全开放，因此，也出现了完全开放源码的LEON处理器。不仅如此，Sun公司还于1994年推动SPARC v8架构成为IEEE标准（IEEE Standard 1754-1994）。

由于SPARC架构的初衷是面向服务器领域而设计，其最大的特点是拥有一个大型的寄存器窗口，符合SPARC架构的处理器需要实现从72到640个之多的通用寄存器，每个寄存器宽度为64bits，组成一系列的寄存器组，称之为寄存器窗口。

这种寄存器窗口的架构，由于可以切换不同的寄存器组快速地响应函数调用与返回，因此，能够产生非常高的性能，但是这种架构由于功耗面积代价太大，而并不适用于PC与嵌入式领域处理器。而SPARC架构也不具备模块化的特点，使得用户无法裁剪和选择。很难作为一种通用的处理器架构对商用的x86和ARM架构形成替代。

设计这种超大服务器CPU芯片又非普通公司与个人所能涉足，而有能力设计这种大型CPU的公司也没有必要投入巨大的成本来挑战x86的统治地位。随着Sun公司的衰弱，SPARC架构现在基本上退出了人们的视野。感兴趣的读者请在网络上自行搜索文章《再见SPARC处理器，再见Sun》

0.3 名校优生——RISC-V

关于RISC-V在伯克利大学诞生的经历，本节在此不做重复赘述。

因为多年来在CPU领域已经出现过多个免费或开放的架构，很多高校也在科研项目中推出过多种指令集架构。因此，当笔者第一次听说RISC-V之时，以为又是一个玩具，或纯粹学术性质的科研项目而不以为意。

直到笔者亲自通读了一遍RISC-V的架构文档，不禁为其先进的设计理念所折服。同时，RISC-V架构的各种优点也得到了众多专业人士的青睐好评和众多商业公司的相继加盟。并且2016年RISC-V基金会的正式启动在业界引起了不小的影响。如此种种，使得RISC-V成为至今为止最具备革命性意义的开放处理器架构。

1 简单就是美——RISC-V架构的设计哲学

RISC-V架构作为一种指令集架构，在介绍细节之前，让我们先了解设计的哲学。所谓设计的“哲学”便是其推崇的一种策略，譬如说我们熟知的日本车的设计哲学是经济省油，美国车的设计哲学是霸气外漏等。RISC-V架构的设计哲学是什么呢？是“大道至简”。

笔者最为推崇的一种设计原则便是：简单就是美，简单便意味着可靠。无数的实际案例已经佐证了“简单即意味着可靠的”真理，反之越复杂的机器越则越容易出错。

所谓大道至简，在IC设计的实际工作中，笔者曾见过最简洁的设计实现安全可靠，也曾见过最繁复的设计长时间无法稳定收敛。最简洁的设计往往是最可靠的，在大多数的项目实践中一次次的得到检验。

IC设计的工作性质非常特殊，其最终的产出是芯片，而一款芯片的设计和制造周期均很长，无法像软件代码那样轻易的升级和打补丁，每一次芯片的改版到交付都需要几个月的周期。不仅如此，芯片的一次制造成本费用高昂，从几十万美金到百千万美金不等。这些特性都决定了IC设计的试错成本极为高昂，因此能够有效的降低错误的发生就显得非常的重要。

现代的芯片设计规模越来越大，复杂度越来越高，并不是说要求设计者一味的逃避使用复杂的技术，而是应该将好钢用在刀刃上，将最复杂的设计用在最为关键的场景，在大多数有选择的情况下，尽量选择简洁的实现方案。

笔者在第一次阅读了RISC-V架构文档之时，不禁击节赞叹，拍案惊奇，因为RISC-V架构在其文档中不断地明确强调，其设计哲学是“大道至简”，力图通过架构的定义使得硬件的实现足够简单。其简单就是美的哲学，可以从几个方面容易看出，后续小节将一一加以论述。

1.1 无病一身轻——架构的篇幅

在处理器领域，目前主流的架构为x86与ARM架构，笔者曾经参与设计ARM架构的应用处理器，因此需要阅读ARM的架构文档，如果对其熟悉的读者应该了解其篇幅。经过几十年的发展，现代的x86与ARM架构的架构文档长达几百数千页。打印出来能有半个桌子高，可真是“著作等身”。

之所以现代x86与ARM架构的文档长达数千页，且版本众多，一个主要的原因是因为其架构的发展的过程也伴随了现代处理器架构技术的不断发展成熟。

并且作为商用的架构，为了能够保持架构的向后兼容性，其不得不保留许多过时的定义，或者在定义新的架构部分时为了能够将就已经存在的技术部分而显得非常的别扭。久而久之就变得极为冗长。

那么现代成熟的架构是否能够选择重新开始，重新定义一个简洁的架构呢，可以说是几乎不可能。其中一个重要的原因便是其无法向前兼容，从而无法得到用户的接受。试想一下如果我们买了一款新的搭配新的处理器的电脑或者手机回家，之前所有的软件都无法运行而变砖，那肯定是无法让人接受的。

而现在才推出的RISC-V架构，则具备了后发优势，由于计算机体系结构经过多年的发展已经成为比较成熟的技术，多年来在不断成熟的过程中暴露的问题都已经被研究透彻，因此新的RISC-V架构能够加以规避，并且没有背负向后兼容的历史包袱，可以说是无病一身轻。

目前的“RISC-V架构文档”分为“指令集文档”（riscv-spec-v2.2.pdf）和“特权架构文档”（riscv-privileged-v1.10.pdf）。“指令集文档”的篇幅为145页，而“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。熟悉体系结构的工程师仅需一至两天便可将其通读，虽然“RISC-V的架构文档”还在不断地丰富，但是相比“x86的架构文档”与“ARM的架构文档”，RISC-V的篇幅可以说是极其短小精悍。

感兴趣的读者可以在RISC-V基金会的网站上（https://riscv.org/specifications/）无需注册便可免费下载其文档，如图1所示。

图1 RISC-V基金会网站上的架构文档

1.2 能屈能伸——模块化的指令集

RISC-V架构相比其他成熟的商业架构的最大一个不同还在于它是一个模块化的架构。因此，RISC-V架构不仅短小精悍，而且其不同的部分还能以模块化的方式组织在一起，从而试图通过一套统一的架构满足各种不同的应用。

这种模块化是x86与ARM架构所不具备的。以ARM的架构为例，ARM的架构分为A、R和M三个系列，分别针对于Application（应用操作系统）、Real-Time（实时）和Embedded（嵌入式）三个领域，彼此之间并不兼容。

但是模块化的RISC-V架构能够使得用户能够灵活选择不同的模块组合，以满足不同的应用场景，可以说是“老少咸宜”。譬如针对于小面积低功耗嵌入式场景，用户可以选择RV32IC组合的指令集，仅使用Machine Mode（机器模式）；而高性能应用操作系统场景则可以选择譬如RV32IMFDC的指令集，使用Machine Mode（机器模式）与User Mode（用户模式）两种模式。而他们共同的部分则可以相互兼容。

1.3 浓缩的都是精华——指令的数量

短小精悍的架构以及模块化的哲学，使得RISC-V架构的指令数目非常的简洁。基本的RISC-V指令数目仅有40多条，加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。

2 RISC-V指令集架构简介

本章将对RISC-V的指令集架构多方面的特性进行简要介绍。

2.1 模块化的指令子集

RISC-V的指令集使用模块化的方式进行组织，每一个模块使用一个英文字母来表示。RISC-V最基本也是唯一强制要求实现的指令集部分是由I字母表示的基本整数指令子集，使用该整数指令子集，便能够实现完整的软件编译器。其他的指令子集部分均为可选的模块，具有代表性的模块包括M/A/F/D/C，如表1所示。

表1 RISC-V的模块化指令集

为了提高代码密度，RISC-V架构也提供可选的“压缩”指令子集，由英文字母C表示。压缩指令的指令编码长度为16比特，而普通的非压缩指令的长度为32比特。以上这些模块的一个特定组合“IMAFD”，也被称为“通用”组合，由英文字母G表示。因此RV32G表示RV32IMAFD，同理RV64G表示RV64IMAFD。

为了进一步减少面积，RISC-V架构还提供一种“嵌入式”架构，由英文字母E表示。该架构主要用于追求极低面积与功耗的深嵌入式场景。该架构仅需要支持16个通用整数寄存器，而非嵌入式的普通架构则需要支持32个通用整数寄存器。

通过以上的模块化指令集，能够选择不同的组合来满足不同的应用。譬如，追求小面积低功耗的嵌入式场景可以选择使用RV32EC架构；而大型的64位架构则可以选择RV64G。

除了上述的模块，还有若干的模块包括L、B、P、V和T等。这些扩展目前大多数还在不断完善和定义中，尚未最终确定，因此本文在此不做详细论述。

2.2 可配置的通用寄存器组

RISC-V架构支持32位或者64位的架构，32位架构由RV32表示，其每个通用寄存器的宽度为32比特；64位架构由RV64表示，其每个通用寄存器的宽度为64比特。

RISC-V架构的整数通用寄存器组，包含32个（I架构）或者16个（E架构）通用整数寄存器，其中整数寄存器0被预留为常数0，其他的31个（I架构）或者15个（E架构）为普通的通用整数寄存器。

如果使用了浮点模块（F或者D），则需要另外一个独立的浮点寄存器组，包含32个通用浮点寄存器。如果仅使用F模块的浮点指令子集，则每个通用浮点寄存器的宽度为32比特；如果使用了D模块的浮点指令子集，则每个通用浮点寄存器的宽度为64比特。

2.3 规整的指令编码

在流水线中能够尽早尽快的读取通用寄存器组，往往是处理器流水线设计的期望之一，这样可以提高处理器性能和优化时序。这个看似简单的道理在很多现存的商用RISC架构中都难以实现，因为经过多年反复修改不断添加新指令后，其指令编码中的寄存器索引位置变得非常的凌乱，给译码器造成了负担。

得益于后发优势和总结了多年来处理器发展的教训，RISC-V的指令集编码非常的规整，指令所需的通用寄存器的索引（Index）都被放在固定的位置，如图2所示。因此指令译码器（Instruction Decoder）可以非常便捷的译码出寄存器索引然后读取通用寄存器组（Register File，Regfile）。

图2 RV32I规整的指令编码格式

2.4 简洁的存储器访问指令

与所有的RISC处理器架构一样，RISC-V架构使用专用的存储器读（Load）指令和存储器写（Store）指令访问存储器（Memory），其他的普通指令无法访问存储器，这种架构是RISC架构的常用的一个基本策略，这种策略使得处理器核的硬件设计变得简单。

存储器访问的基本单位是字节（Byte）。RISC-V的存储器读和存储器写指令支持一个字节（8位），半字（16位），单字（32位）为单位的存储器读写操作，如果是64位架构还可以支持一个双字（64位）为单位的存储器读写操作。

RISC-V架构的存储器访问指令还有如下显著特点：